[发明专利]蓝光响应增强的高效黑硅光伏器件

说明书

合同来源

根据美国能源部与Alliance for Sustainable Energy,LLC之间的合同编号DE-AC36-08GO28308，美国政府在本发明中拥有权利，the Alliance for Sustainable Energy,LLC为国家可再生能源实验室（the National Renewable Energy Laboratory）的管理商与运营商。

背景技术

尽管人们在用新型的特殊材料制造更好的太阳能电池上做了许多尝试，光伏市场中基于硅晶片的太阳能电池仍占优势。大部分太阳能电池制造商的设备是用于生产基于硅晶片的太阳能电池的，研究也在于继续设计可以实现更高的转换效率而不会过度增加生产成本的基于硅的太阳能电池。研究的目的经常是实现太阳能电池所产生的每瓦成本最低的太阳能电池设计，并且同时，设计应该能提供适合于廉价商业生产的太阳能电池。硅太阳能电池领域出现正在朝薄硅晶片、廉价处理衬底上剥离或成型的硅（Si）层、以及廉价衬底上的晶体Si薄膜应用的发展。除了在太阳能电池中的应用，硅晶片、衬底上的其它硅层、以及含硅表面的物体可用于许多其它的应用，例如探测器、电子器件、无线通信设备、电荷耦合成像装置（CCD）、计算机，并且甚至在生物或医药应用中（统称为“光伏器件”）。

太阳能电池和其它光伏子器件的性能直接与高反射率所引起的光损耗有关。平坦的硅表面，例如在未处理的硅晶片上所看到的，在整个太阳光谱的范围内具有大约30%的高的天然反射率，这会导致光损耗，而不然的话这些光损耗能通过硅光伏器件转变为电能。为了生产高效率的太阳能电池，研究人员寻找最大程度减少反射损失的方法。一种常见的方法是提供抗反射（AR）涂层，所述抗反射涂层典型地根据其在陡的上部与底部材料介面的反射光之间提供破坏性干扰的能力进行选择。例如，单层、四分之一波长、几乎透明的层，以特定的厚度在常规形成的平的或平面的硅表面上作为AR涂层使用，所述材料如SiOx、TiOx、ZnO、ITO、MgO或者Si₃N₄。这类AR涂层为共振结构，并且仅在有限的光谱范围内且对特定的入射角表现良好，而太阳光谱波长范围跨度很广并且入射角在日间变化。简单的单层AR涂层所能实现的典型结果是将平面硅表面反射降低至约8～15%。用更复杂的双层AR涂层或者通过四分之一波长涂层与微米级表面纹理处理（例如刻蚀在硅表面中的金字塔形纹理）相结合，反射率可以降低至3～7%，但是这种涂层的涂敷昂贵，并且对于以偏离法线角入射在硅表面上的光以及漫射光，性能受限制。

最近，研究人员确定，可以使用具有纳米级侧向尺寸的密度分级(graded density)层控制硅表面的反射率。具体地，研究人员已经使用多种方法在硅层上形成了高度不反射的或者“黑色的”硅表面，所述的黑硅(black silicon)表面或层可以认为是深度不超过几微米或更多的多孔层，可提供随深度分级而侧向尺寸均匀的密度，这可降低反射率并且可以代替传统的AR涂层。在一个实施例中，黑硅或密度分级层通过硅层或衬底的平面表面的纹理处理形成。在该代表性实施例中，刻蚀方法在刻蚀溶液中与氧化-刻蚀溶液组分（如刻蚀剂和氧化剂）一起，提供含诸如金的催化金属的分子或离子种类。催化金属分子或离子对部分地由氧化刻蚀溶液（例如，HF和H₂O₂）所引起的反应起到催化作用。所得到的刻蚀非常均匀，并且在硅表面或晶片上迅速形成密度分级或多孔的不反射或黑色表面层。

作为形成黑硅的该方法或其它方法的结果，可以提供密度分级表面，所述表面包括在块体材料附近孔隙率低但在材料-空气表面附近孔隙率逐渐变高的结构（例如，高于几百纳米或几微米的硅材料或太阳能电池层或其它的硅基器件）。在测试中，已经证实这类密度分级表面可将硅表面反射损失减少至低于2%，或甚至低于1%，覆盖可用的太阳光谱，并且可在很宽的入射角范围内实现抗反射作用。在其它的方法中，这类黑硅形成方法可以产生从Si表面突出的硅柱（pillars）或线状(wire-like)结构，可同样减少反射损失。这类结构的形成方法，例如，可以包括在反应性气体中的飞秒（femtosecond）激光脉冲照明，或者通过金属晶化（crystallation）催化剂辅助，在硅烷中的气-液-固晶体生长。